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植物学基础

作者:生命科学事业部时间:2020-01-05 15:56:18浏览148 次

信息摘要:

《植物学基础》主要介绍植物细胞、组织、器官的形态结构和生理功能、植物分类的基础知识、植物界的基本类群以及草本植物主要科、属的形态特征;下篇为植物生理学部分,主要介绍植物的生命活动规律及其与环境条件的关系,包括植物的新陈代谢、生长发育和生态生理等内容。

植物细胞

原核生物和真核生物的结构和功能的基本单位。除病毒外,一切生物均由细胞构成,根据细胞内核结构分化程度的不同,细胞可以分为原核细胞和真核细胞两大类型。化石研究表明,大约在35亿年前地球就已出现了原核细胞,大约在12~14亿年前才出现真核细胞。
    细胞的形状和大小随生物的种类而不同,即使同一生物不同部位细胞的形态也不相同。单独存在的游离细胞常呈球形或近似球形,但由于细胞表面张力或原生质粘度及其不均匀性,细胞的外形有时也会发生变化。构成组织的细胞受相邻细胞之间机械力和方向性的制约,往往呈现出不同的形态。一般说来,细胞形态与其生理功能密切相关。不同种类的细胞大小悬殊,细菌细胞一般直径为0.5~1.5微米,长1~5微米,种子植物的幼嫩细胞直径约为5~25微米,成熟细胞直径均为15~65微米。高等动物的组织细胞通常比植物细胞小,但卵细胞一般都较大,有的神经细胞的突起可长达1米以上。最小的细胞为支原体细胞,直径只有0.1微米。单细胞生物由一个细胞组成。多细胞生物体的细胞数目差别很大。人出生时约有百万亿个细胞;成人约有10×16即1600万亿个细胞,近百种类型。尽管生物细胞类型多样,却具有大致相同的基本结构。细胞核由核膜、核质、核仁和染色质组成。细胞质中未分化的半透明胶态溶液称为基质;具有特殊功能的各种微细结构称为细胞器,如线粒体、质体、内质网、核糖体、高尔基体、溶酶体、中心体、微管、微丝,以及鞭毛和纤毛等;细胞质内常含有许多代谢产物形成的颗粒,如淀粉粒、糊粉粒、脂肪滴、糖原粒等,统称后成质。细胞是生命活动的单位,一些生命活动的基本过程,如物质代谢、能量转换、运动、发育、繁殖和遗传等,都是以细胞为结构基础来实现的。

 

植物细胞壁
植物细胞的质膜外围,由细胞分泌物形成的一层厚而复杂的结构,成熟植物细胞的细胞壁分为3层:中层、初生壁和次生壁。新生细胞的细胞壁极薄,只有中层,主要成分为果胶酸钙和果胶酸镁。随着细胞的生长,在中层与原生质体之间,由原生质合成通过质膜分泌出来的半纤维素和纤维素等物质,形成一薄层初生壁,纤维素分子是由许多纤维素纤维丝组成的,纤维素分子之间有些<U>纤维丝通过半乳糖醛酸-鼠李聚糖、阿拉伯半乳聚糖和木葡聚糖形成的桥键</U>,彼此结合在一起,形成富有弹性的网状结构,使初生壁不会限制细胞的继续生长。在细胞继续生长过程中,细胞继续分泌,最终在成熟细胞初生壁内侧又沉积一层较厚的纤维素结构,即次生壁。次生壁纤维素的纤维丝合并成粗线状,并在壁内作螺旋状环绕,故次生壁坚韧而无伸缩性,起着保护和支持细胞的作用。<U>植物表皮细胞外侧面的细胞壁外,还有成层的角质层和蜡质,所以它不同于肉类细胞。肉块不可以站立,而植物干可以站立。</U>活细胞的细胞壁能因其他物质的积累而变质,如稻麦茎细胞的细胞壁内含硅酸盐,能抗倒伏。原核细胞的细胞壁是由单糖、氨基糖、氨基酸和脂质构成的,具有保护作用。有的细菌的细胞壁外还分泌形成多糖荚膜。各种细菌的细胞壁或荚膜有特异性,能引起免疫反应。

植物细胞膜
细胞原生质体外表面极薄的一层膜结构,亦称为原生质膜或质膜。质膜主要由脂类和蛋白质组成,还有少量的多糖和微量的核酸。脂类主要是磷脂,还有糖脂和类固醇等,蛋白质的种类多样。经氧化锇等固定的质膜切片,在电镜下观察为3层结构,其厚度平均为7.5毫微米。一般认为,质膜的中层为磷脂双分子层;内侧和外侧是磷脂亲水部分与蛋白质的结合层;某些蛋白分子镶嵌或横跨磷脂双分子层。质膜是细胞和周围环境之间的界膜,对细胞内原生质起着保护作用。质膜对物质的通透有高度选择性,控制着细胞和周围环境之间的物质交换。<U>质膜外表面常含有抗原功能的糖蛋白,使细胞具有特异性并能够互相识别,质膜上的特殊受体分子能够接受外界信息,引起细胞内一系列代谢和功能的改变,以调节细胞的生命活动。</U>质膜及其各种特化结构,如动物细胞的桥粒和植物细胞的胞间连丝等,使细胞之间联结起来,从而加强细胞间的机械聚合或对细胞间的物质交换起重要作用细胞膜的结构与功能。

植物细胞分化
由一个细胞分裂而产生的许多细胞,在其继续生长的过程中,结构和功能上发生专一化,使细胞产生稳定的新特征的过程。高等生物一般都从一个受精卵开始发育,经多次细胞分裂与分化,产生出各种不同的特殊结构和专一功能的细胞。例如,植物体中的木纤维、韧皮纤维等。细胞分化的结果,形成了不同的组织。不同组织中的细胞,结构和功能虽然不相同,但都是由同一个细胞,经过分裂与分化而来。已分化的细胞,其基因组并未改变,并无遗传信息的增减,仍具有发育的全能性。一般认为,细胞分化是细胞中遗传信息有选择地表达的结果。

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植物组织

植物分生组织

植物体上能连续或周期性的进行细胞分裂的组织。由这种组织产生的新细胞,经生长和分化形成各种组织。而其本身始终保持着分裂能力。组成分生组织的细胞,在形态上比较典型的是细胞较小,等径的多面体,细胞壁薄,细胞核相对地较大,细胞质较稠密,有少量小的液泡。根据分生组织在植物体内的位置,可分为顶端分生组织(如根、茎的顶端)。侧生分生组织(如维管形成层、木栓形成层)和居间分生组织(如单子叶植物茎的节间和叶的基部)。就起源而言,又可分为原分生组织、初生分生组织和次生分生组织。原分生组织位于胚芽、胚根的顶端。在种子萌发后,胚长成幼苗,继而长成植株,全凭原分生组织的活动,直接或间接由它衍生的细胞形成。成长的植株受到创伤,或植物的局部器官、组织、细胞,在一定条件下离体培养,已分化的活细胞被诱导,可能通过回复变化形成分生组织,并由它进一步形成愈伤组织、器官,甚至于形成植株。
 
植物保护组织
植物体表面起保护作用的组织。它由一层或数层细胞构成,有防止水分过度蒸腾、抵抗外界风雨和病虫侵害的作用。根据其来源和形态的不同,又分为初生保护组织(如表皮)和次生保护组织(如木栓层)。植物地上部分的表皮,细胞排列紧密,外壁较厚且角质化,形成角质层,但能使光线透过,达到下面的组织。有的表皮角质层外面还覆盖着蜡质,如甘蔗、高粱的茎秆外表有“白霜”状的蜡被,有利于减少水分蒸腾。表皮上有气孔的分化,沟通体内外的气体交换。木本植物茎的表皮,通常只生存几周或几个月,以后就脱落了。此时,表皮下已形成木栓层,代替表皮起保护作用。木栓层是由多层细胞构成的,细胞排列整齐,细胞壁栓质化,成熟后死亡,细胞腔内充满空气,没有细胞间隙,水和气体都不能透过。

营养组织
亦称薄壁组织、基本组织。是构成植物体的最基本的一种组织。其细胞具有生活的原生质,细胞壁一般较薄,形态结构和生理功能很少特化,而在发育上可塑性较大。这种组织是构成植物体的基本部分,其他各种组织或被埋藏在这种组织中,或包被在它外面,它们是植物进行吸收、同化、呼吸、贮藏等生命活动的基地。根据不同的营养作用,它们又可分为不同的种类,如同化组织(能进行光合作用的薄壁组织,细胞内具叶绿体,如叶肉)、贮藏组织(细胞内贮藏丰富营养物质的薄壁组织,如果实、种子内)、通气组织(水生植物或湿生植物常具有这种组织,它们的细胞间隙特别发达,形成大的气腔或贯通为气道)、贮水组织(耐旱多浆的仙人掌类植物普遍存在,这种组织的细胞壁薄,有很大的液泡,里面充满水分,而栅栏组织</U>是指位于叶肉内靠近上表皮的同化组织,由含叶绿体的薄壁细胞所组成海绵组织是位于叶肉内靠近下表皮的同化组织,由含叶绿体的薄壁细胞所组成。

植物薄壁组织
一群活的、初生壁较薄的细胞(薄壁细胞)组成的基本组织。形状一般为直径近乎相等的多面体。薄壁组织细胞具有潜在的分裂能力,细胞间多具发达的细胞间隙。在一定的外界因素刺激下,它们可以再生,使植物的创伤愈合或形成不定根、不定芽等。在离体培养的条件下,分离的薄壁组织细胞团,甚至单个细胞,经培养能长成一棵完整的植株,因而在发育上它们具有较大的可塑性。薄壁组织占植物体的大部分,如根、茎的皮层和髓部,叶肉和花的各部分,以及许多果实的果肉、种子的胚乳等。薄壁组织具有同化、贮藏、通气和吸收等重要的生理功能。依据其功能的不同,可分为6种类型:
(1)基本薄壁组织。多位于根、茎等器官的内部,如皮层、髓等,细胞无色,横切面呈圆球形或多角形,几乎等径。胞内具生活的细胞质和细胞核,是营养性的生活细胞,在植物体中起填充作用。
(2)同化薄壁组织。多存在于植物体表易受光的部位。其特点是细胞内含叶绿体。在叶肉、幼茎的皮层、果实的外部常见,可进行光合作用.
(3)贮藏薄壁组织。主要分布在根、茎、种子、果实等器官中,细胞中含许多特殊的后含物,如淀粉粒、蛋白质颗粒、拟晶体、脂肪球、油滴等。
(4) 主要功能贮藏水分。它的细胞具有一个富含水分或粘性汁液的大液泡,因而使细胞质、细胞核呈一薄层紧贴细胞壁。许多旱生肉质植物,如仙人掌、龙舌兰等都这种组织。
(5)通气薄壁组织。该组织的细胞间隙发达,以保证空气流通。叶肉中的海绵组织和水生植物的根、茎的皮层内通气薄壁组织最为典型,尤以水生植物最发达,在体内可形成一个通气系统。这是长期适应和进化的结果,可使体内贮存生活所需的气体,增强浮力和支持力。
(6)吸收薄壁组织。具有吸收和传导植物体内各种溶液的作用,如根尖附近的薄壁组织及根毛,都有强烈的吸收传导作用。

植物器官

多细胞生物体内,由多种不同组织,按一定次序联合构成的结构单位。具有一定的形态特征,能行使一定的生理功能。植物体内有维持个体生存的营养器官,如根(有固着、吸收、输导、贮藏的功能)、茎(有输导、支持、贮藏、繁殖的功能)、叶(有进行光合作用、蒸腾作用、气体交换的功能)。还有繁衍后代、维持种族生存的生殖器官,如花、果实和种子。
生殖器官
植物进行生殖过程,繁殖个体的多细胞结构的通称。主要是指产生生殖细胞的器官,如被子植物花里的雄蕊和雌蕊。一般把与繁衍后代、延续种族有关的器官,都称为生殖器官。植物的花、果实和种子就是生殖器官。苔藓植物、蕨类植物配子体上的颈卵器、精子器等,亦有生殖器官之称。

植物营养器官
维持植物个体生存的器官。它是构成植物体的基本器官,与植物进行吸收、同化、运输、贮藏等有关营养的生理活动有关。例如,根、茎、叶都是营养器官。根除能起固着植物体的作用外,还具有吸收水分和无机盐的功能;有输导功能和贮藏营养物质的功能。茎有输导、支持、繁殖、贮藏的功能。叶具有进行光合作用、蒸腾作用等功能。
导管
   植物体内木质部中主要输导水分和无机盐的管状结构。为一串高度特化的管状细胞所组成,其细胞端壁由穿孔相互衔接,其中每一细胞称为一个导管分子或导管节。导管分子在发育初期是生活的细胞,成熟后,原生质体解体,细胞死亡。在成熟过程中,细胞壁木质化并具有环纹、螺纹、梯纹、网纹和孔纹等不同形式的次生加厚。在两个相邻导管分子之间的端壁,溶解后形成穿孔板。在被子植物中,除少数科属(如昆兰属、水青树属)外,均有导管;导管也存在于某些蕨类(如卷柏、欧洲蕨)和裸子植物的买麻藤目中。

植物的输导组织
植物体中运送物质到各器官的组织。是植物体中最复杂的系统。输导组织一般分为木质部与韧皮部,这二者又合称为维管组织。输导组织的细胞一般呈管状,上下连接,贯穿于整个植物体内。木质部是一种复合组织,主要由导管或管胞,以及木纤维、薄壁细胞等组成。输导水分和无机盐主要通过导管或管胞。在某种状态下,木质部也可能有输导营养物质的作用。韧皮部也是一种复合组织,主要由筛管或筛胞以及韧皮纤维、薄壁细胞所组成。一般通过筛管或筛胞输送营养物质和生长激素等。过去认为各种乳汁管和乳汁细胞也是一种输导组织,现在则认为它们是一种分泌结构。

植物的筛管
植物韧皮部内输导有机养料,如糖、蛋白质等的管状结构。它是由一系列有生命的筛管分子顶端相互衔接而成。每个筛管分子为长形的薄壁细胞,成熟后细胞核消失。在筛管分子间连接的横壁上有许多小孔,呈筛状,叫做筛孔。横壁上具筛孔的区域,称为筛域。相邻细胞的原生质体借孔内的原生质丝相互连通,以此沟通了筛管分子间的营养物质运输。筛域在筛管分子的侧壁上往往亦存在。横壁上的筛域常有一定程度的特化,筛孔的孔径较大,联络索较粗的筛域,称作筛板。如仅有一个筛域的称为单筛板,由几个筛域组成的称为复筛板。幼小筛管的原生质体与其它薄壁细胞类似,有细胞质、细胞核和各种细胞器。成熟后才发生显著变化,细胞核解体。有时核仁移至细胞质中,液泡膜消失,细胞液与细胞质融合。一般筛管生活不到一年就失去功能,这时由新形成的筛管所代替。但有的植物不同,如王棕茎基部的筛管其功能可长达100年。一般筛管分子旁边有一个或几个伴胞,它与筛管相伴生,在发育上与筛管分子来自同一个母细胞,在生理功能上与筛管也密切有关。筛管分子与其相邻的伴胞由许多胞间连丝相连,都与运输营养物质有关。


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